가스 발생 25분의 1·에너지 밀도 77%로 차세대 전기차 적용 가능
[메가경제=박제성 기자] SK온은 서울대 강기석 교수 연구팀과 함께 대형 입자로 구성된 '고밀도 단결정 양극 전극'을 개발하는데 성공했다고 8일 밝혔다.
단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이뤄져 쉽게 균열이 일어나지 않아 안정성과 수명이 뛰어나다.
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| ▲'네이처 에너지'에 실린 SK온과 서울대의 '고밀도 단결정 양극재' 연구 논문[사진=SK온] |
세계 최고 권위 학술지인 '네이처 에너지'에 실린 이번 연구는 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시해 배터리 수명·안정성·에너지밀도 향상에 큰 발전을 가져올 것으로 업계는 기대한다.
현재 업계에서 사용되는 다결정(Polycrystalline) 양극재는 여러 개의 입자가 뭉쳐 있는 구조로 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자에 균열이 일어나 내부 가스 발생 가능성이 있다.
반면 단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이뤄져 쉽게 균열이 일어나지 않아 안정성과 수명이 뛰어나다.
다만 단결정 양극재는 소재 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 성장함과 동시에 구조적 안정성까지 확보하는 것이 어려워 업계의 난제로 꼽혀왔다.
특히 니켈 함량이 높은 양극 소재일수록 단결정을 생성하기 위해서는 고온·장시간 열처리가 필요한데 이 경우 양이온 무질서 현상이 나타나 배터리 성능·수명 저하 등의 문제가 대두됐다.
'양이온 무질서(cation disorder)'란 니켈 기반 양극 소재에서 리튬과 니켈 이온의 비슷한 크기 때문에 각자 있어야 할 층을 벗어나 서로 뒤섞여 배열되는 현상을 의미한다.
이로 인해 리튬 이온 이동이 원활하지 않아 배터리 출력, 충·방전 속도 저하 등을 야기한다.
SK온과 서울대 연구진은 문제 해결을 위해 새로운 합성 방법을 고안했다.
구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 쉬운 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식을 찾았다. 이는 튼튼한 단결정 구조가 유지된 채로 양극 소재를 얻는 특징이 있다.
또한 연구진은 높은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목해 화학적 조성, 온도, 시간 등 제작을 위한 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석했다.
그 결과 일반 양극재 입자 크기의 2배에 달하는 10μm(마이크로미터) 크기의 입자로 구성되고 양이온 무질서가 없는 울트라 하이니켈 단결정 양극재 개발에 성공했다.
'울트라 하이니켈'(Ultrahigh nickel)이란 양극재 내 니켈 함량이 94%가 넘는 것을 뜻한다.
니켈 함량이 많을수록 에너지 밀도가 높아 전기차 배터리의 경우 1회 충전 시 주행거리가 늘어난다.
해당 단결정 양극재는 뛰어난 기계·화학적 안정성과 높은 에너지 밀도를 지닌 것으로 나타났다.
테스트 결과, 양이온 무질서가 없어 구조 변형이 감소했으며 가스 발생량도 다결정 양극재 대비 25배나 감소한 것으로 확인됐다. 에너지 밀도 역시 이론적 결정 밀도의 최대 77%에 달하는 것으로 드러났다.
이론적 결정 밀도(Theoretical crystal density)란 결함, 불순물이 전혀 없는 완벽한 결정 상태를 가정했을 때의 최대 밀도를 뜻한다.
양 연구진은 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구도 이어갈 예정이다.
이번 연구 결과를 바탕으로 한층 더 고도화된 소재 조성과 합성 방법을 모색하고 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적의 비율로 조합해 에너지 밀도를 높이는 연구도 검토 중이다.
박기수 SK온 미래기술원장은 "이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 기술 경쟁력을 확실히 보여주는 사례"라며 "앞으로도 학계와 협력을 통해 혁신적인 연구 개발을 지속하고 기술 리더십을 강화해 나가겠다"고 말했다.
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